KR20190096041A - 광대역 대전력 결합기 - Google Patents

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KR20190096041A
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Abstract

본 발명에 따른 광대역 대전력 결합기는, 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제1 전송 선로; 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제2 전송 선로; 상기 제1 전송 선로의 내부 선로와 연결되는 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제3 전송 선로; 및 상기 제1 전송 선로의 내부 선로와 연결되는 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제4 전송 선로를 포함하고, 상기 제1 전송 선로 내지 상기 제4 전송 선로는 동축 케이블을 권선(winding) 구조로 형성한 권선 구조 또는, 상기 외부 선로를 페라이트로 감싼 페라이트 구조이고, 권선(winding) 구조의 동축 케이블 또는 페라이트를 이용한 동축 케이블의 전송 선로를 통해 광대역 대전력 결합기를 제공할 수 있다.

Description

광대역 대전력 결합기{WIDE BAND HIGH POWER COMBINER}
본 발명은 광대역 대전력 RF 결합기에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 마이크로파 시스템, RF 통신 시스템 등에서 대전력(High power) 결합을 위하여 사용되는 광대역 대전력 결합기에 관한 것이다.
일반적으로, 전력 결합기(power combiner)는 마이크로파 시스템, RF 통신 시스템 등에서 전력 결합을 위하여 사용된다. 이러한 마이크로파 시스템, 통신 시스템에서는 복수의 안테나 소자 또는 복수의 송신 또는 수신 채널 간의 신호를 결합하는 필수적으로 요구된다. 한편, 이러한 전력 결합기는 두 개의 신호 경로들이 결합될 때마다 병렬 회로에 의해 입력 임피던스가 감소된다.
한편, 전력(power)의 크기가 비슷한 여러 개의 전력 신호를 하나의 출력 포트(output port)로 결합해야 될 경우, 대전력 결합기(high power combiner)가 요구된다. 특히, 여러 개의 RF 증폭기(amplifier)를 사용하여 대전력을 얻을 수 있으며, 이때는 반드시 RF 전력 결합기를 사용하게 된다.
이와 관련하여, 도 1은 두 개의 전력 증폭기로부터 전력을 합성하는 대 전력 결합기의 구조를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 두 개의 전력 증폭기에서 증폭된 전력 P1, P2를 출력 포트에서 합성할 수 있다. 이때, 전력 결합기의 입력 전압 V1, V2 는 일반적으로 동일하지는 않으므로, 증폭기(Amp) #1과 Amp #2 사이에 서로 간섭 현상이 발생한다. 특히, V1과 V2 사이의 전압 차이가 클수록 간섭 현상이 심하게 되며, 대전력 증폭기 시스템에 큰 손상(damage)를 주게 된다는 문제점이 있다.
따라서, 출력 전력 Pout ≠ P1 + P2이며, 정확하게는 Pout = R0|V1 + V2 |2/2로 표시된다. 이때, V1= Ve + Vod, V2= Ve - Vod (Ve = (V1 + V2)/2, Vod = (V1 - V2)/2)로 표시되며, Ve (= (V1 + V2)/2)를 우-모드 전압(even-mode voltage), Vod (= (V1 - V2)/2)를 기-모드 전압(odd-mode voltage)이라 한다.
한편, 출력 포트의 전력은 Pout = [R0|Ve |2/2] × 2, 나머지 기-모드에 의한 전력 Podd = R0|Vodd |2/2 는 전력 합성기 내에서 소모 및 흡수가 되어야 한다.
이와 같은 조건이 만족될 때, 전력 합성기로서 작용이 잘 되는 것이며, 이러한 기-모드 전력이 포트 #1, #2에 서로 간섭하는 정도를 두 개 포트 사이의 분리도(isolation)이라고 하며, 일반 시스템에서는 이러한 분리도를 -20dB 이하가 되도록 요구한다.
또한, 우-모드 전력(even-mode power) P1ev = P2ev = R0|Ve |2/2은 각 입력 포트에서 임피던스 정합이 잘 일어나야 한다. 따라서, RF 전력 결합기에서는 각 포트의 임피던스 정합 특성 (return loss < -20dB 요구), 포트 간의 분리도 (isolation < -20dB 요구) 특성이 중요시되며, 이들의 관계는 도 2와 같다. 즉, 도 2 는 본 발명과 관련하여, 전력 결합기에서의 입력/출력 포트 간의 관계를 나타낸다.
이때, 임피던스 정합과 관련하여, 입력 포트에서의 반사 손실(return loss)과 포트 간의 간섭 특성과 관련하여, 입력 포트 간의 분리도(isolation)은 아래의 수학식 1과 같이 주어진다.
Figure pat00001
다음으로, 현재 사용되는 RF 전력 결합기는 도 3과 같은 회로 구성을 갖는다. 즉, 도 3은 본 발명과 관련하여 RF 전력 결합기를 나타낸다. 이때, 상기 RF 전력 결합기는 동축 선로 (coaxial line), 마이크로스트립 선로(microstrip line), 혹은 스트립 선로(strip line) 등으로 구현될 수 있다. 도 3(a)는 마이크로스트립 선로 구조를 나타내고, 도 3(b)는 동축 선 구조를 나타내며, 도 3(c)는 대전력용으로 사용되는 접지된 저항을 갖는 Gysel power combiner를 나타낸다.
도 3(a), (b)에 도시된 바와 같이, 두 개의 입력(input)에 우-모드(even-mode) + 기-모드(odd-mode)로 표시할 수 있다. 우-모드로 포트 #1, 2에 인가될 때는 점 A, B가 같은 전위가 되고, 따라서 100W 저항은 없는 것과 동일하게 된다. 이때, 전력은 70.7W의 4반파장(l/4) 임피던스 정합부(impedance transformer)에 의하여 출력(output)에 전달된다. 즉, 출력 전력(output power) = 2 × (R0|Ve |2/2)가 된다. 또한, 도 3(c)에서 우모드 때는 C'점이 개방점 (open point)이 되며, A', B' 점이 단락점 (short point)이 되면서 R0는 없어지며, 기모드 동작 시 C, C' 점이 단락점이 되므로 A', B' 에 R0가 연결되며 기모드 전력은 접지된 2개의 R0에서 소모된다.
위와 같은 이유로, 기존의 윌킨슨 전력 결합기(Wilkinson power combiner)는 동작 주파수 대역폭이 대단히 협소한 문제점이 있다. 이를 개선하기 위해 캐스캐이드(cascade) 구조로 대역폭을 넓혀서 설계하여, 옥타브(octave) 대역정도로 확장할 수 있지만, 수 10MHz부터 수 GHz까지 초 광대역(ultra-wide band)에서는 불가능하다는 문제점이 있다. 또한, 대전력으로 사용할 경우 도 3(a), (b)에서 기모드 전력 흡수 저항 R (=100W)이 접지되어 있지 않기 때문에 열 통로가 없으므로 소전력에만 사용할 수 있다. 이를 개선하여 접지된 두 개 저항을 이용하여 대전력에서는 도 3(c)의 gysel power combiner를 이용한다. 그러나, 이러한 combiner도 역시 협대역으로 사용된다는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광대역 대전력 결합기를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 우-모드 신호뿐만 아니라, 기-모드 신호에 대해서도 초 광대역(ultra-wide band) 동작하며, 기모드 대전력을 흡수할 수 있는 접지 열통로가 있는 저항을 이용한 광대역 대전력 결합기의 다양한 구조와 등가회로를 제공하는 데에 다른 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광대역 대전력 결합기는, 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제1 전송 선로; 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제2 전송 선로; 상기 제1 전송 선로의 내부 선로와 연결되는 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제3 전송 선로; 및 상기 제1 전송 선로의 내부 선로와 연결되는 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제4 전송 선로를 포함하고, 상기 제1 전송 선로 내지 상기 제4 전송 선로는 동축 케이블을 권선(winding) 구조로 형성한 권선 구조 또는, 상기 외부 선로를 페라이트로 감싼 페라이트 구조이고, 권선(winding) 구조의 동축 케이블 또는 페라이트를 이용한 동축 케이블의 전송 선로를 통해 광대역 대전력 결합기를 제공할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 전송 선로의 외부 선로와 상기 제4 전송 선로의 외부 선로가 상호 연결된 지점과 접지 간에 연결되는 제1 저항; 및 상기 제2 전송 선로의 외부 선로와 상기 제3 전송 선로의 외부 선로가 상호 연결된 지점과 접지 간에 연결되는 제2 저항을 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 저항은 동일한 저항 값을 갖고, 상기 제1 및 제2 저항과 각각 병렬로 연결되는 커패시터를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 전송 선로와 상기 2 전송 선로는 상기 권선 구조이고, 상기 제3 전송 선로와 상기 제4 전송 선로는 상기 페라이트 구조인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 전송 선로와 상기 제2 전송 선로의 길이(q1)는 1GHz에서 270°의 전기적 길이를 가지고, 상기 제3 전송 선로와 상기 제4 전송 선로의 길이(q2)는 1GHz에서 15°의 전기적 길이를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 전송 선로의 외부 선로와 상기 제3 전송 선로의 외부 선로가 상호 연결된 지점과 접지 간에 연결되는 저항을 더 포함하고, 상기 저항과 병렬로 연결되는 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제3 전송 선로와 상기 제4 전송 선로는 상기 페라이트 구조이고, 상기 제1 전송 선로와 상기 제2 전송 선로의 길이(q1)는 1GHz에서 15°의 전기적 길이를 가지고, 상기 제3 전송 선로와 상기 제4 전송 선로의 길이(q2)는 1GHz에서 15°의 전기적 길이를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른, 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제1 전송 선로; 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제2 전송 선로; 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제3 전송 선로; 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제4 전송 선로; 상기 제1 전송 선로의 내부 선로 및 상기 제3 전송 선로의 내부 선로와 연결되는 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제5 전송 선로; 및 상기 제2 전송 선로의 내부 선로 및 상기 제4 전송 선로의 내부 선로와 연결되는 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제6 전송 선로를 포함하고, 상기 제1 전송 선로, 상기 제2 전송 선로, 상기 제5 전송 선로 및 상기 제6 전송 선로는 동축 케이블을 권선(winding) 구조로 형성한 권선 구조 또는, 상기 외부 선로를 페라이트로 감싼 페라이트 구조인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 전송 선로의 외부 선로와 상기 제2 전송 선로의 외부 선로의 각 끝점에서 접지로 연결되는 저항을 더 포함하고, 상기 접지에 연결된 상기 저항에 의해 대전력에서 열 통로가 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 전송 선로 및 상기 제2 전송 선로는 상기 권선 구조이고, 상기 제5 전송 선로 및 상기 제6 전송 선로는 상기 페라이트 구조인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 전송 선로와 상기 제2 전송 선로의 길이(q1)는 1GHz에서 270°의 전기적 길이를 가지고, 상기 제3 전송 선로와 상기 제4 전송 선로의 길이(Dq2)는 1GHz에서 15°의 전기적 길이를 가지고, 상기 제5 전송 선로와 상기 제6 전송 선로의 길이(q2)는 1GHz에서 180°의 전기적 길이를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명에 따르면, 권선(winding) 구조의 동축 케이블 또는 페라이트를 이용한 동축 케이블의 전송 선로를 통해 광대역 대전력 결합기를 제공할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전송 선로의 내부 도체와 외부 도체를 다양하게 구성하고, 전송 선로 간에 저역 통과 필터를 이용하거나 혹은 동축 선로에 의한 반전 트랜스포머(reverse transformer)를 이용하여 기-모드 전력을 흡수함으로써 초 광대역(ultra-wide band) 가능한 광대역 대전력 결합기를 제공할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 두 개의 RF 전력 증폭기로부터 전력을 합성하는 대전력 RF 결합기의 개념도를 나타낸다.
도 2 는 본 발명과 관련하여, 전력 결합기에서의 입력/출력 포트 간의 관계를 나타낸다.
도 3은 본 발명과 관련하여 종래의 Wilkinson RF power divider/combiner와 대전력 용으로 사용되는 방열을 위한 접지된 저항을 사용한 Gysel RF power divider/combiner를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 광대역 RF power combiner에서 사용되는 coaxial cable의 등가 인덕턴스가 큰 Balun과 Reverse transformer의 등가 회로를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 4개의 큰 등가 인덕턴스를 갖는 동축선 Balun을 이용한 대전력 광대역 RF 전력 divider/combiner 구조 회로와 우모드/기모드에 대한 동작 등가회로 및 combiner 동작 simulation 특성을 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 4개의 큰 등가 인덕턴스를 동축선과 그 사이의 짧은 2개의 동축선으로 구성된 대전력 광대역 RF 전력 divider/combiner 구조 회로와 우모드/기모드에 대한 동작 등가회로와 combiner 동작 simulation 특성을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 2개의 큰 등가 인던턴스를 갖는 동축선을 이용한 대전력 광대역 RF 전력 divider/combiner 구조 회로와 우모드/기모드에 대한 동작 등가 회로 및 combiner 동작 simulation 특성을 나타낸다.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
본 발명은 광대역 대전력 결합기의 구조를 제안한다. 이하, 본 발명에 따른 광대역 대전력 결합기의 구조를 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
종래의 RF 대전력 결합기의 사용 주파수 대역폭을 획기적으로 확장하면서 대전력 즉, 수 100Watts 내지 수 KWatts까지 사용 가능하게 하는 것이 본 발명의 목적이다. 이와 관련하여, 도 4는 본 발명에 따른 광대역 대전력 결합기에서 사용되는 전송 선로의 구조를 나타낸다. 도 4(a)와 같이 동축 케이블 (coaxial cable)을 권선(winding) 구조로 만들거나, 혹은 도 4(b)와 같이 동축 케이블 주위가 주파수 특성이 광대역인 페라이트(ferrite)로 감싼 구조이거나, Donuts형 ferrite에 동축 선로를 도 4(b)와 같은 구조이다. 이와 관련하여, 도 4(a) 또는 도 4(b)와 같은 구조는 도 4(c)와 같은 등가 회로로 나타나며, 이때 권선 수(winding turn) 수가 클수록 또한 페라이트의 투자율(m)이 클수록 등가 임피던스(impedance) L 값이 크게 나타난다.
도 4(c)에서 입력(input) #1이 50W이고, 출력(output) #2, #3이 25W으로 되어 있는 경우, 두 개 출력에 위상이 180°차이가 나며, 출력 전력(power)이 같게 나타난다. 이와 같은 발룬(Balun)에서 낮은 주파수에서 높은 주파수까지 (즉, 수 10MHz에서 수 GHz까지) 발룬 특성을 갖기 위하여 등가 인덕턴스(inductance) L이 큰 값이 되어야 한다. 일반적으로 수 100nH 이상이며, 아주 광대역 특성을 얻을 수 있다. 또한, 도 4(c)에서 input/output 모두 50W이며, 출력단자가 GND 단자와 서로 반대가 되는 반전 트랜스포머(reversing transformer)를 구현할 수 있다.
따라서, 이와 같은 광대역 특성의 Balun 혹은 reversing transformer를 이용하여 수 10MHz에서 수 GHz까지 (이론적으로 수 10 GHz까지 가능) 광대역 대전력 결합기 (High power combiner)를 구현할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 서술한 광대역 특성을 갖는 권선 동축 케이블 (winding coaxial cable) 혹은 페라이트를 사용한 동축 케이블(ferrite-wrapping coaxial cable) 4개 Balun 또는 2개의 reversing transformer를 이용하여 구현할 수 있다.
이와 관련하여, 도 5는 본 발명에 따른 큰 인덕턴스 동축 케이블(high inductance coaxial cable) 전송 선로를 갖는 광대역 대전력 결합기의 구조를 나타낸다. 도 5a는 4개의 권선 동축 케이블 혹은 페라이트를 이용한 동축 케이블로 이루어진 광대역 대전력 결합기의 구조를 나타낸다. 한편, 도 5a의 등가 회로는 도 5b와 같이 나타나며 L 값이 수 100nH 이상의 값이 되면 저주파 50MHz부터 수 GHz까지 광대역 특성을 얻을 수 있을 것이다.
한편, 도 5a에서의 광대역 대전력 결합기의 구조에 대해 상세하게 살펴보면 다음과 같다. 전송 선로(100, 200)은 동일하며, 전송 선로(300, 400)은 서로 동일하여야 한다. 제1 전송 선로(100)는 내부 선로(110)와 외부 선로(120)를 갖고, 제2 전송 선로(200)는 내부 선로(210)와 외부 선로(220)를 갖는다. 한편, 제3 전송 선로(300)는 제2 전송 선로(200)의 내부 선로(210)와 연결되는 내부 선로(310)와 외부 선로(320)를 포함한다. 또한, 제4 전송 선로(400)는 제1 전송 선로(100)의 내부 선로(110)와 연결되는 내부 선로(410)와 외부 선로를 포함한다. 한편, 제1 전송 선로(100)와 제2 전송 선로(200)는 같은 선로로서 권선 구조나 페라이트를 이용한 선로를 사용할 수 있다. 제3 전송 선로(300)와 제4 전송 선로(400)는 길이 q2가 짧아야 높은 주파수까지 동작하기 때문에 페라이트를 이용하여 길이가 짧으면서 등가 인덕턴스가 큰 선로가 유리하다.
한편, 광대역 대전력 결합기는 제1 전송 선로(100)의 외부 선로(120)와 제4 전송 선로(400)의 외부 선로(420)가 상호 연결된 지점과 접지 간에 연결되는 저항(R1)을 포함할 수 있다. 또한, 광대역 대전력 결합기는 제2 전송 선로(200)의 외부 선로(220)와 제3 전송 선로(300)의 외부 선로(320)가 상호 연결된 지점과 접지 간에 연결되는 저항(R1)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 광대역 대전력 결합기는 대칭 구조이므로, 동일한 저항 R1으로 구성한다.
한편, 도 5b에서 even-mode와 odd-mode의 동작을 살펴보자. even-mode 동작때는 ia = ib = Iev 이므로 R0에 흐르는 전류 ia1 = ib1 = 0이 되므로, 점 O, O'가 접지점이 되므로 도 5b의 even-mode 등가회로가 되며, even-mode input power가 전부 출력으로 나가게 된다.
Odd-mode 동작 때는 도 5a에서 ia = Iod = -ib가 되므로, R1에 흐르는 전류 ia1 = 2Iod, ib1 = 2Iod가 되며 odd-mode 등가회로에서 O, O' 점들은 개방점 (open point)가 된다. 따라서, input #1 또는 input #2에서 보면 그 등가회로는 도 5b와 같이 된다. 여기서, R0에 C0를 병렬로 두면 2nd-order 저역통과 여파기 특성을 얻을 수 있다.
제1, 2 선로는 권선구조의 동축선 q1 =270° (1GHz), 제3, 4 선로는 페라이트를 이용한 동축선 q2 =15° (1GHz)라 하고, 각각 L1 = 300nH, L2 = 200nH 라 가정하자. 이때, R0, C0의 최적화 값을 찾아서 대전력 combiner의 반사(return) (S11), 격리(isolation) (S21), 및 전달 (transmission) (S31) 특성을 얻을 것이 도 5c와 같다. S11, S21< -20dB 이상 대역이 0.1 ~ 3GHz까지 나타나므로 초광대역이라 할 수 있다. 이때, 최적화된 R0, C0 의 값은 각각 17W, 2.4pF일 수 있다.
또 다른 실시 예는 도 6에서 설명한다. 이 실시 예는 반전 트랜스포머(reversing transformer), 도 4(c)를 활용한 예이다. 제1 전송 선로 내지 제6 전송 선로(100 내지 600)들은 모두 내부 선로(110, 210, 310, 410, 510, 610)과 외부 선로(120, 220, 320, 420, 520, 620)를 갖고 있으며, 제5 전송 선로(500)와 제6 전송 선로(600)는 다른 선로들에 비해 대단히 짧은 Dq의 선로이다. 제5 전송 선로(500)는 제1 전송 선로의 내부 선로(110) 및 제3 전송 선로의 내부 선로(310)와 연결되는 내부 선로(510)와 외부 선로(520)를 갖는다. 또한, 제6전송 선로(600)는 제2 전송 선로의 내부 선로(210) 및 제4 전송 선로의 내부 선로(410)와 연결되는 내부 선로(610)와 외부 선로(620)를 갖는다. 한편, 제1 전송 선로의 외부 선로(120)는 제6 전송 선로의 외부 선로(620)에 연결되고, 다시 620은 제3 선로의 외부 선로(320)에 연결되며, 또한 제2 전송 선로의 외부 선로(220)는 제5 전송 선로의 외부 선로(520)에 연결되고, 다시 520은 제4 전송 선로의 외부 선로(420)에 연결된다. 한편, 제1 전송 선로의 외부 선로(110)는 510을 거쳐 310에 직결되며, 제2 전송 선로의 내부 선로(210)은 610을 거쳐 410에 직결되며 출력점에서 310과 만난다. 도 6a에서 odd-mode 전력을 흡수하기 위한 저항은 R0가 제1 선로, 제2 선로 외부 선로(120, 220)와 끝점에서 접지로 연결되며 대전력에서 열 통로가 형성될 수 있게 구성된다. 또한, 제1 선로, 제2 선로의 각 내부 선로 끝점 A, A' 사이에 직접 연결하면 작은 값의 Inductance L0가 생기게 된다.
Even-mode 동작때는 도 6a에서 a, b 점을 연결하는 중간선에서 양 쪽이 정대칭이며, ia = ib = Iev 이므로, R0와 L0의 병렬소자에 흐르는 전류 i0 = 0이다. 또한, R0에 흐르는 전류가 0 이므로 그 등가회로는 도 6b의 even-mode 등가회로와 같다. 따라서, even-mode 전력은 전부 출력 port에 전달된다.
한편, odd-mode 동작때는 a, b 중간 선 양쪽에 전기적으로 반대칭이므로 ia = Iod = -ib, ia = -ib'가 되므로 g점은 단락점(short point)이 되며, O, O'점은 개방점(open point)이 된다. 따라서, odd-mode에서는 ia' = 0, ib' = 0가 되므로, 제5 선로, 제6 선로가 아주 짧을 때 (Dq < 5°), 점 A, A'에서 출력점까지는 동축선로에 전류가 흐르지 못함으로 선로의 영향이 없어진다.
따라서, L0 값이 대단히 작으면 odd mode 등가회로 도 6b는 동축선로 반전 트랜스포머(reverse transformer)가 된다. 즉, odd-mode 전력은 R0에 전부 소모되며 이때 R0 한쪽이 접지되므로 접지 방열판으로 열이 전달된다. 이때, q1 =270° (1GHz), q2 =180° (1GHz), Dq = 5°이며, L0= 0.5nH, L1= 300nH, L2= 200nH일때 최적값의 R0에 대하여 도 6c와 같다. 이때, f = 0.1 ~ 5GHz까지의 주파수에 대하여 초광대역으로 S11 (return loss), S21 (isolation) < -20dB를 얻을 수 있다. 이때, 최적화된 R0 의 값은 30W일 수 있다.
또 다른 실시 예는 도 7에서 설명한다. 도 7a에서 동축 선로(100)과 동축 선로(400)은 등가 인덕턴스(inductance) L이 크게 나타날 수 있는 구조이므로 동축선로 권선구조, 혹은 페라이트를 이용한 선로이다. 그러나, q2가 작을수록 고주파수까지 동작하기 때문에 제4 선로는 페라이트를 이용한 구조가 유리하다. 제2, 3 선로는 어떠한 선로, 동축 혹은 마이크로스트립 선로 어느 것이나 특성 임피던스만 같으며 q1, q2 값을 갖으면 된다.
Even-mode 동작 때는 ia= ib =Iev가 이므로 I0 = 0이 되므로 점 O가 접지점이 된다. 따라서, even-mode 등가 회로는 도 6b의 even-mode 등가 회로와 같게 되며, input에 인가된 even-mode 전력은 모두 출력에 전달된다.
Odd-mode 동작 때는 ia = Iod = -ib, Io = 2Iod가 되므로 그 등가회로는 도 7b와 같이 된다. 이때, input #1과 input #2에서 다르게 나타나지만 q2 길이가 동일하면서 동축선로 임피던스가 같으면 두 회로 특성이 저역통과 특성으로 임피던스 매칭이 가능하다.
한편, q1 = q2 = 15° (1GHz), L =200nH를 갖는 동축 선로로 가정하고, 최적화한 R0, C0에 대한 특성은 도 7c와 같으며, f = 0.1 ~ 3 GHz까지 사용 가능한 RF 대전력 combiner 특성을 얻었다. 이때, 최적화된 R0, C0 의 값은 각각 30W, 1.2pF일 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 따르면, 권선(winding) 구조의 동축 케이블 또는 페라이트를 이용한 동축 케이블의 전송 선로를 통해 광대역 대전력 결합기를 제공할 수 있으며, 대전력으로 동작하므로 odd-mode 흡수 저항에서 열 통로를 만들기 위하여 흡수저항 단자는 반드시 접지되어야 한다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 따르면, 전송 선로의 내부 도체와 외부 도체를 다양하게 구성하고, 전송 선로 간에 저역 통과 필터 혹은 반전 트랜스포머(reverse transformer)를 구현하여, 우-모드 신호뿐만 아니라, 기-모드 신호에 대해서도 초 광대역(ultra-wide band)이 가능한 광대역 대전력 결합기를 제공할 수 있다는 장점이 있다.
소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 광대역 대전력 결합기의 설계 절차 또는 광대역 대전력 결합기의 입력/출력 신호들은 제어부(controller) 또는 별도의 소프트웨어 모듈로도 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되고, 제어부 또는 프로세서(processor)에 의해 실행될 수 있다.
100, 200, 300, 400, 500, 600: 제1 내지 제4 전송 선로
110, 210, 310, 410, 510, 610: 내부 도체
120, 220, 320, 420, 520, 620: 외부 도체

Claims (10)

  1. 광대역 대전력 결합기에 있어서,
    내부 선로와 외부 선로를 갖는 제1 전송 선로;
    내부 선로와 외부 선로를 갖는 제2 전송 선로;
    상기 제1 전송 선로의 내부 선로와 연결되는 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제3 전송 선로; 및
    상기 제1 전송 선로의 내부 선로와 연결되는 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제4 전송 선로를 포함하고,
    상기 제1 전송 선로 내지 상기 제4 전송 선로는 동축 케이블을 권선(winding) 구조로 형성한 권선 구조 또는, 상기 외부 선로를 페라이트로 감싼 페라이트 구조인 것을 특징으로 하는, 광대역 대전력 결합기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전송 선로의 외부 선로와 상기 제4 전송 선로의 외부 선로가 상호 연결된 지점과 접지 간에 연결되는 제1 저항; 및
    상기 제2 전송 선로의 외부 선로와 상기 제3 전송 선로의 외부 선로가 상호 연결된 지점과 접지 간에 연결되는 제2 저항을 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2 저항은 동일한 저항 값을 갖고, 상기 제1 및 제2 저항과 각각 병렬로 연결되는 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 광대역 대전력 결합기.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전송 선로와 상기 2 전송 선로는 상기 권선 구조이고,
    상기 제3 전송 선로와 상기 제4 전송 선로는 상기 페라이트 구조인 것을 특징으로 하는, 광대역 대전력 결합기.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 전송 선로와 상기 제2 전송 선로의 길이(q1)는 1GHz에서 270°의 전기적 길이를 가지고,
    상기 제3 전송 선로와 상기 제4 전송 선로의 길이(q2)는 1GHz에서 15°의 전기적 길이를 갖는 것을 특징으로 하는, 광대역 대전력 결합기.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전송 선로의 외부 선로와 상기 제3 전송 선로의 외부 선로가 상호 연결된 지점과 접지 간에 연결되는 저항을 더 포함하고,
    상기 저항과 병렬로 연결되는 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 광대역 대전력 결합기.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 전송 선로와 상기 제4 전송 선로는 상기 페라이트 구조이고,
    상기 제1 전송 선로와 상기 제2 전송 선로의 길이(q1)는 1GHz에서 15°의 전기적 길이를 가지고,
    상기 제3 전송 선로와 상기 제4 전송 선로의 길이(q2)는 1GHz에서 15°의 전기적 길이를 갖는 것을 특징으로 하는, 광대역 대전력 결합기.
  7. 광대역 대전력 결합기에 있어서,
    내부 선로와 외부 선로를 갖는 제1 전송 선로;
    내부 선로와 외부 선로를 갖는 제2 전송 선로;
    내부 선로와 외부 선로를 갖는 제3 전송 선로;
    내부 선로와 외부 선로를 갖는 제4 전송 선로;
    상기 제1 전송 선로의 내부 선로 및 상기 제3 전송 선로의 내부 선로와 연결되는 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제5 전송 선로; 및
    상기 제2 전송 선로의 내부 선로 및 상기 제4 전송 선로의 내부 선로와 연결되는 내부 선로와 외부 선로를 갖는 제6 전송 선로를 포함하고,
    상기 제1 전송 선로, 상기 제2 전송 선로, 상기 제5 전송 선로 및 상기 제6 전송 선로는 동축 케이블을 권선(winding) 구조로 형성한 권선 구조 또는, 상기 외부 선로를 페라이트로 감싼 페라이트 구조인 것을 특징으로 하는, 광대역 대전력 결합기.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 전송 선로의 외부 선로와 상기 제2 전송 선로의 외부 선로의 각 끝점에서 접지로 연결되는 저항을 더 포함하고,
    상기 접지에 연결된 상기 저항에 의해 대전력에서 열 통로가 형성되는 것을 특징으로 하는, 광대역 대전력 결합기.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 전송 선로 및 상기 제2 전송 선로는 상기 권선 구조이고,
    상기 제5 전송 선로 및 상기 제6 전송 선로는 상기 페라이트 구조인 것을 특징으로 하는, 광대역 대전력 결합기.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 전송 선로와 상기 제2 전송 선로의 길이(q1)는 1GHz에서 270°의 전기적 길이를 가지고,
    상기 제3 전송 선로와 상기 제4 전송 선로의 길이(Dq2)는 1GHz에서 15°의 전기적 길이를 가지고,
    상기 제5 전송 선로와 상기 제6 전송 선로의 길이(q2)는 1GHz에서 180°의 전기적 길이를 갖는 것을 특징으로 하는, 광대역 대전력 결합기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11784382B1 (en) * 2023-02-17 2023-10-10 Werlatone, Inc. Two-way splitter with crossover

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